来历：III-V EPi
份子束外延 (MBE) 及金属有机化学气相外延 (MOCVD) 是用在针对于III-V族半导体合成的差别类型的外延生长技能。这两种技能均将原子逐层沉积到衬底或者半导体晶圆上。它们出产具备切确身分及厚度的薄晶体层及半导体异质布局，以提供所需的特定光电特征及装备机能。于本文中，III-V Epi 首席技能官兼英国阿斯顿光子技能研究所 (AIPT) 光子学传授 Richard Hogg 传授及 III-V Epi 外延总监 Neil Gerrard 博士对于比两种技能并摸索了它们最合适的运用规模。
事情道理
MBE 及 MOCVD 反映器均于专业的干净室情况中运行，并利用统一套计量东西举行晶圆特征阐发。固体源 MBE 利用于喷射室中加热的高纯度元素先驱体来孕育发生份子束以实现沉积，并利用液氮举行冷却。MOCVD 是一种化学气相工艺，利用超纯气源举行沉积，需要处置惩罚及消弭有毒气体。两种技能均可以于某些质料体系（如砷化物）中孕育发生不异的外延。本文切磋了针对于特定质料、工艺及市场，应该选择运用哪一种技能。
份子束外延 (MBE)
MBE反映器凡是包括一个样品传送室及一个生长室，样品传送室与空气相通，用在装载及卸载晶圆衬底，生长室用在传送衬底举行外延生长。第二个生长室凡是是密封的，仅于维护时才与空气相通。MBE反映器于超高真空 (UHV) 前提下运行，以避免空气份子污染。假如反映器与空气接触，可以经由过程加热反映器来加快排出这些污染物。
凡是，MBE反映器中的外延源质料是固体半导体或者金属。这些质料于喷射室中被加热到跨越其熔点，这一历程称为源质料蒸发。于这里，原子或者份子经由过程小孔径被驱入 MBE 真空室，从而孕育发生高度定向的份子束。份子束撞击加热的衬底；衬底凡是由单晶质料制成，如硅、砷化镓或者其他半导体。假如份子不解吸，它们将扩散到衬底外貌，促成外延生长。然后逐层构建外延，每一层的身分及厚度都颠末精心节制，以实现所需的光学及电学特征。
将衬底安装于生长室内部中心，置在一个加热支架上，支架附近环抱着低温屏蔽板，面向扩散室及挡板体系。扭转支架以提供匀称的沉积及外延厚度。低温屏蔽板是液氮冷却板，可捕捉腔内以前未捕捉到的衬底外貌污染物及原子。污染物可能来自高温下衬底的解吸或者份子束的“过多填充”。
超高真空MBE反映室可以使用原位监测装备来节制沉积历程。反射高能电子衍射 (RHEED) 用在监测生长外貌。激光反射、热成像及化学阐发（质谱法、俄歇光谱法）可阐发蒸发质料的身分。其他传感器用在丈量温度、压力及生长率，以及时调解工艺参数。
生长速度与调解
外延生长速率凡是约为每一秒 1/3 个单层（0.1nm，1 Å），受通量速度及衬底温度的影响。这些参数于MBE反映器内自力调解及监控，以优化外延工艺：
l 通量率是达到衬底外貌的原子数目，由源温度节制。
l 衬底温度影响衬底外貌原子的扩散特征和其解吸特征，受衬底热量节制。
经由过程利用机械快门体系节制生长速度及差别质料的供给，可以靠得住且重复生长三元及四元合金及多层布局。沉积后，迟缓冷却衬底质料以免热应力，并举行测试以表征其晶体布局及特征。
MBE的质料特征
MBE所采用的III-V族质料系统的特色是：
l 硅：于硅衬底上生长需要极高的温度以确保氧化物解吸（ 1000C），这象征着需要专门的加热器及晶圆支架。晶格常数及膨胀系数不匹配的问题使硅上的 III-V 族生长成为一个活跃的研发课题。
l 锑：对于在III-Sb族半导体，必需利用低衬底温度以免从外貌解吸。高温下也可能呈现“非同余”，此中一种原子可能优先蒸发，留下非化学计量质料。
l 磷：对于在 III-P族合金，磷会沉积于腔室内部，清算历程十分耗时，这可能会致使短期出产没法举行。
l 应变层凡是需要较低的衬底温度来削减原子的外貌扩散，从而降低层败坏的可能性。这可能会致使缺陷，由于沉积原子的流动性会降低，从而于外延中留下间隙，这些间隙可能会被封进内部并致使妨碍。
金属有机化学气相外延 (MOCVD)
MOCVD 反映用具有高温水冷反映室。将衬底放置于石墨基座上，该基座经由过程射频、电阻或者红外加热举行加热。反映气体垂直注入衬底上方的工艺室中。经由过程优化温度、气体注入、总气体流量、基座扭转及压力来实现层匀称性。载气为氢气或者氮气。
为了沉积外延层，MOCVD 利用很是高纯度的金属有机先驱体，例如，对于在 III 族元素，利用三甲基镓作为镓的先驱体或者三甲基铝作为铝的先驱体，对于在 V 族元素，利用氢化物气体（砷化氢及磷化氢）。金属有机物包罗于气流鼓泡器中。注入工艺室的浓度由流经鼓泡器的金属有机物及载气流的温度及压力决议。
试剂于生长温度下于衬底外貌充实分化，开释出金属原子及有机副产品。经由过程调解试剂浓度来孕育发生差别的 III-V 合金布局，并配有运行/排气切换体系来调解蒸汽混淆物。
衬底凡是是半导体质料的单晶圆，例如砷化镓、磷化铟或者蓝宝石。衬底被装载到反映室内的基座上，先驱体气体被注入基座上。年夜部门蒸发的金属有机物及其他气体未经转变地穿过加热的生长室，但一小部门会发生热解（凡是称为“裂解”），形成亚种质料，这些质料会吸附于热基底的外貌上。然后，外貌反映致使 III-V 元素融入外延层。或者者，可能会发生外貌解吸，将未利用的试剂及反映产品从腔室中抽出。此外，一些先驱体可能会引起外貌的“负生长”蚀刻，例如于 GaAs/AlGaAs 的碳掺杂中，以和利用专用蚀刻剂源。经由过程扭转基座，确保外延的身分及厚度一致。
MOCVD反映器所需的生长温度重要由先驱体所需的热解决议，然后按照外貌迁徙率举行优化。生长速度由起泡器中 III 族金属有机源的蒸气压决议。外貌扩散受外貌原子台阶的影响，是以常常利用取向过错的衬底。硅衬底上的生长需要很是高的温度阶段来确保氧化物解吸（ 1000C），需要专业的加热器及晶圆衬底支架。
反映器的真空压力及几何外形象征着现场监测技能与 MBE 差别，MBE 凡是具备更多选项及可配置性。对于在MOCVD，发射率校订高温计用在原位晶圆外貌温度丈量（而不是长途热电偶丈量）；反射率可以阐发外貌粗拙度及外延生长速度；晶圆弯曲经由过程激光反射丈量；而且可以经由过程超声波气体监测丈量所提供的有机金属浓度，以提高生长历程的正确性及复现性。
凡是，含铝合金于较高温度下生长（ 650C），而含磷层则于较低温度下生长（ 650C），但 AlInP可能存于破例。对于在用在通讯的 AlInGaAs 及 InGaAsP 合金，砷化氢的裂解温度差异使工艺节制比磷化氢更简朴。然而，对于在外延再生长，即蚀刻活性层时，磷化氢是首选。对于在锑化物质料，因为缺少适合的先驱体源，碳会心外（凡是是不想要的）混入 AlSb，这限定了合金的选择，从而限定了 MOCVD 对于锑化物生长的接收。
对于在高应变层，因为可以或许通例使用砷化物及磷化物质料，是以可以实现应变均衡及赔偿，例如 GaAsP 势垒及 InGaAs 量子阱。
质料选择——MBE 及 MOCVD
[1] 使用 MBE 制造的量子点激光器将波长选项从~1100nm 扩大到~1300nm。
[2] InP 衬底上的 MBE 生长是通例做法，但磷质料的沉积要求于安全打开腔室以前举行腔室“清算”历程。
[3] 经由过程 MOCVD 举行外延再生长是通例做法，可以实现多个步调。
[4] AlSb 中含有年夜量的碳，限定了经由过程 MOCVD 举行 Sb 外延的选择，而 MBE 则占主导职位地方。
[5] 需要非凡的高温加热元件来解吸硅上的自然氧化物，是以这对于在 MBE 或者 MOCVD 来讲是不成行的。
小结
MBE 凡是比 MOCVD 具备更多的原位监测选择。外延生长经由过程别离节制的通量率及衬底温度举行调解，共同相干的原位监测，可以更清楚、更直接地相识生长历程。
MOCVD 是一种用途广泛的技能，经由过程转变先驱体化学性子，可用在沉积多种质料，包括化合物半导体、氮化物及氧化物。切确节制生长历程可制造繁杂的半导体器件，并具备合适电子、光子及光电子运用的定制特征。MOCVD腔体清算时间比MBE更快。
MOCVD 很是合适DFB、埋入式异质布局器件及对于接波导的再生长。这可能包括半导体的原位蚀刻。是以，MOCVD 是单片InP集成的U8国际官网抱负选择。只管GaAs中的单片集成尚处在起步阶段，但 MOCVD 可以实现选择区域生长，此中介电掩模区域有助在距离发射/接收波长。而这一点很难经由过程MBE实现，由于介电掩模上会形成多晶沉积物。
一般而言，MBE是Sb质料的首选生长要领，而 MOCVD是P质料的首选。两种生长技能对于As基质料具备近似的能力。传统的MBE专用市场（例如电子产物）此刻也能够经由过程MOCVD生长得到一样的优良用途。然而，对于在更进步前辈的布局，例如量子点及量子级联激光器，MBE凡是更合适用在尺度外延。假如需要外延再生长，则凡是首选MOCVD，由于它具备蚀刻及掩膜矫捷性。
原文链接：
https://www.iii-vepi.com/case-studies/t-a-comparison-between-molecular-beam-epitaxy-and-metal-organic-chemical-vapour-phase-epitaxy-technologies/
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